數字微鏡器件DMD(Digital Micromirror Device)由美國德州儀器公司于1987年發明[1]，由其構成的成像系統具有體積小、重量輕、呈像色彩豐富、清晰度高等優點。應用十分廣泛，已經由最初的投影、高清數字電視領域拓展到了立體顯示、平面印刷等方面[2]。相對于國外的領先技術，我國在這方面的研究相對滯后，因此對數字微鏡及其驅動技術的研究具有重要的意義。在數字微鏡器件的驅動開發過程中，很重要的一個過程是尋找控制微鏡翻轉的最佳驅動波形和最優驅動電壓。由于微鏡制作工藝不同，物理特性各異，不同的產品需要不同的驅動波形來滿足其驅動要求。目前的研究與開發中，缺少普適的驅動波形實驗平臺，而本文提出的設計滿足了這方面的需求。

1 DMD的驅動原理及其驅動影響因素
1.1 DMD的驅動原理
    數字微鏡器件是一種基于半導體制造技術，由高速數字式光反射開關陣列組成[3]。將一個數字式光反射開關稱為一個微鏡單元。在呈像過程中，每個微鏡單元對應了圖像中的一個像素，通過控制微鏡的旋轉角度與時間來改變呈現的圖像及其特性。圖1為一個微鏡單元的機械結構，微鏡有3個微型電極，分別為：VON、VMIRROR、VOFF，其中VMIRROR為偏置電壓，VON、VOFF為驅動電壓。這3個微型電極可以被數字信號激活，控制微鏡開關的電平可由式(1)和式(2)得到：

    當V開為高電平、V關為低電平時,鏡片迎著光源(開啟),將會有一個白色像素通過鏡頭反射到屏幕上;當V開為低電平、V關為高電平時，鏡片避開光源(關閉)，鏡面像素在熒幕上的位置呈現深色。實現了通過數字信號調節微鏡單元的翻轉方向，進而改變呈像。為了產生灰度變化的圖像，需要控制微鏡開關狀態的時間。通過控制高電平的持續時間，即改變驅動波形的占空比實現：V開保持高電平的時間長，則微鏡開啟時間也長，對應的灰度像素就淺；V關保持高電平的時間長，則微鏡關閉時間也長，對應的灰度像素就深。微鏡工作示意圖如圖2所示。

1.2 DMD的驅動影響因素
    在DMD芯片中，微鏡是最小的工作單位，也是影響其性能的關鍵。DMD是微機電系統MEMS的一員，通過靜電力的作用控制微鏡的偏轉[4]，因此微鏡的工作性能與其制作工藝息息相關。在微鏡翻轉的過程中，微鏡在機械結構限位和控制電壓的作用下，最終穩定在相應的位置[5]，因此其機械結構與控制電壓需要完美配合，才能保證微鏡的完美工作。
    通過上述分析可知，不同的制作工藝，不同的微鏡機械結構都會對數字微鏡器件的驅動波形提出不同的要求。針對不同的微鏡，對應的最佳工作模式也有所不同，需要在驅動開發過程中尋找最佳的驅動波形模式。
2 系統功能與整體方案
2.1 系統功能
    本系統由數字微鏡驅動器和電壓轉換器兩部分構成，實現驅動波形的設定、產生以及調整。其優點在于：(1)增強了系統的靈活性，方便擴展其他功能；(2)操作簡單方便，可控性強。整個系統具有很強的可變性，針對不同的數字微鏡器件，可以方便地設定驅動波形，調整驅動電壓，進而確定最佳的工作狀態，其中電壓幅度范圍可以達到10 V~60 V。
2.2 整體方案
    系統整體設計分為兩個部分：數字微鏡驅動器和電壓轉換器。數字微鏡驅動器主要完成接收PC的參數設定，產生波形、調整波形，其中與PC之間的通信是基于USB完成的。電壓轉換器主要完成驅動電壓的轉換，以及負載電流的采集與放大。
3 硬件電路設計與實現
3.1 數字微鏡驅動器的硬件系統
　　數字微鏡驅動器作為驅動波形實驗平臺的核心部分,其硬件系統如圖3所示,該系統結合了ARM微處理器(S3C2440)與FPGA。ARM微處理器作為控制核心，主要實現以下功能： (1)與PC通信，實現對數字微鏡器件驅動波形相關參數的編輯與輸入；(2)與FPGA通信，傳遞目標驅動波形的相關參數以及控制指令； (3)控制光源控制器(色輪、LED、Laser)； (4)控制觸摸屏，用于菜單顯示、狀態顯示以及簡單的控制與設置； (5)處理電流反饋信息，并及時調整驅動波形。本系統充分利用了ARM微處理器豐富的外部接口，包括觸摸屏、USB接口等，很好地提高了系統的實用性，操作更為人性化。
    FPGA是本系統的另一個核心處理器，與ARM微處理器相比具有同步性好、精確度高、可靠性好等特點，更加適合用于最終產生驅動微鏡進行快速翻轉的驅動波形，本文所選用FPGA的時鐘為100 MHz，滿足了驅動波形的編輯需求，并且波形的編輯簡單、操作容易，便于開發者方便快捷地確定微鏡的最佳驅動波形。
3.2 電壓轉換器的硬件實現
    電壓轉換器用于將FPGA輸出的3.3 V的CMOS驅動信號轉換成電壓幅度,滿足微鏡陣列驅動要求的驅動波形，圖4所示為電壓轉換器的電壓轉換原理圖。在本電路中，選用IR2105作為MOS管的驅動芯片。這是一款高電壓、高速度的MOS管驅動芯片，其輸入的邏輯電平與CMOS電平以及TTL電平相兼容。因此，FPGA的輸出信號可直接作為IR2105的輸入信號，其輸出信號HO與輸入信號的相位一致，LO與輸入信號的相位相反。當輸入信號為高電平時，HO為高電平，LO為低電平，此時，Q1導通，Q2截止，輸出高電平(VCC)；當輸入信號為低電平時，HO為低電平，LO為高電平，此時，Q1截止，Q2導通，輸出低電平(0 V)。因此輸出端得到高電平為VCC，低電平為0，與輸入信號同相的驅動波形。其中VCC可以通過外加電源直接進行調節，高電平的調節范圍取決于所選擇的MOS管漏極能承受的最大電壓,因此10 V~60 V的電壓幅度范圍可以輕松實現。當輸出電壓為VCC時，根據式(3)可知，負載電流只與負載有關，具有很強的電流驅動能力。

    Iload=VCC/Rload   (3)
4 軟件設計方案
4.1 ARM微處理器的控制功能
    ARM微處理器作為控制的核心，其控制流程主要包括：光源的控制與檢測、負載電流的檢測、控制菜單的顯示、觸摸屏的控制以及驅動波形主要參數的編輯與傳遞。
    在主函數執行的操作：對控制界面以及數字微鏡的狀態進行初始化；啟動光源并檢測其工作狀態，一旦發現異常，即關閉光源；系統進入循環工作和檢測狀態，主要包括控制界面的檢測、負載電流的檢測以及光源的檢測。根據控制界面的檢測結果，執行相關的指令(改變參數、控制微鏡開關等)；分析負載電流的反饋大小調整驅動波形；光源工作異常時，及時退出循環，關閉光源。
4.2 FPGA的工作流程
    在波形發生器的工作過程中，FPGA主要用于根據驅動波形的相關參數產生對應的驅動波形，其工作流程如下：置數字微鏡于“關”的狀態，當ARM微處理器有指令或參數傳遞時，執行相關指令。其中，ARM微處理器傳遞給FPGA的指令與參數包括驅動波形的基本信息與參數、波形的產生與停止控制等。
    整個實驗平臺充分利用了ARM微處理器強大的驅動和通信能力，以及FPGA準確、快速的優勢。在保證了驅動波形的準確性與多變性的同時,更加方便和人性化。
5 測試結果
   在實驗過程中，根據實驗平臺實現的功能，設計了如圖5所示的操作界面，實現了驅動波形相關參數(頻率和占空比)的編輯與更改、負載電流以及光源控制器工作情況的顯示、系統工作狀態的控制等。

    圖6給出了通過實驗平臺產生的驅動波形，其中波形的占空比以及電壓幅度都是可以改變的，進而得到形態各異的驅動波形。

    本文提出了一種數字微鏡驅動波形實驗平臺的設計。該系統將ARM微處理器與FPGA相結合，充分利用兩者的優點，并通過電壓轉換器對電平進行變換。最終實現了一個波形準確可變、界面友好便捷、適用廣泛的數字微鏡驅動波形實驗平臺，為數字微鏡驅動的開發提供了很好的實驗平臺。
參考文獻
[1] 朱毖微, 梁志毅, 喬永征.基于FPGA的DMD驅動控制電路的研究設計[J]. 計算機測量與控制, 2010(3): 547-550.
[2] DOUGLASS M R. DMD reliability: a MEMS success story[C]. Proceedings of SPIE, 2003.
[3] 鄒靜嫻,吳榮治.數字微鏡器件(DMD)[J]. 液晶與顯示,2003,18(6):445-448.
[4] 胡劍,李剛炎.基于 MEMS 的光開關技術研究[J]. 半導體技術, 2007,32(4):332-334.
[5] 姜兆華,吳賓初,潘涌,等. DMD數字微鏡驅動控制系統分析及其應用[J]. 應用激光, 2012,32(3):212-216.